Android安全加密專題文章索引
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- Android安全加密：非對(duì)稱加密
- Android安全加密：消息摘要Message Digest
- Android安全加密：數(shù)字簽名和數(shù)字證書
- Android安全加密：Https編程
一刮萌、凱撒密碼
1. 概述
凱撒密碼作為一種最為古老的對(duì)稱加密體制碉输，在古羅馬的時(shí)候都已經(jīng)很流行墙贱，他的基本思想是：通過把字母移動(dòng)一定的位數(shù)來實(shí)現(xiàn)加密和解密棒搜。明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一個(gè)固定數(shù)目進(jìn)行偏移后被替換成密文吊骤。例如捧存，當(dāng)偏移量是3 的時(shí)候捷绒，所有的字母A 將被替換成D，B 變成E捉貌，由此可見支鸡，位數(shù)就是凱撒密碼加密和解密的密鑰。
例如：字符串”ABC”的每個(gè)字符都右移3 位則變成”DEF”趁窃，解密的時(shí)候”DEF”的每個(gè)字符左移3 位即能還原牧挣，如下圖所示：
2. 準(zhǔn)備知識(shí)
//字符轉(zhuǎn)換成ASCII 碼數(shù)值
char charA = 'a';
int intA = charA; //char 強(qiáng)轉(zhuǎn)為int 即得到對(duì)應(yīng)的ASCII 碼值，’a’的值為97
//ASCII 碼值轉(zhuǎn)成char
int intA = 97;//97 對(duì)應(yīng)的ASCII 碼’a’
char charA = (char) intA; //int 值強(qiáng)轉(zhuǎn)為char 即得到對(duì)應(yīng)的ASCII 字符醒陆，即'a'
3. 凱撒密碼的簡單代碼實(shí)現(xiàn)
/**
* 加密
* @param input 數(shù)據(jù)源（需要加密的數(shù)據(jù)）
* @param key 秘鑰瀑构，即偏移量
* @return 返回加密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String encrypt(String input, int key) {
//得到字符串里的每一個(gè)字符
char[] array = input.toCharArray();
for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
//字符轉(zhuǎn)換成ASCII 碼值
int ascii = array[i];
//字符偏移，例如a->b
ascii = ascii + key;
//ASCII 碼值轉(zhuǎn)換為char
char newChar = (char) ascii;
//替換原有字符
array[i] = newChar;
//以上4 行代碼可以簡寫為一行
//array[i] = (char) (array[i] + key);
}
//字符數(shù)組轉(zhuǎn)換成String
return new String(array);
}
/**
* 解密
* @param input 數(shù)據(jù)源（被加密后的數(shù)據(jù)）
* @param key 秘鑰刨摩，即偏移量
* @return 返回解密后的數(shù)據(jù)
*/
public static String decrypt(String input, int key) {
//得到字符串里的每一個(gè)字符
char[] array = input.toCharArray();
for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
//字符轉(zhuǎn)換成ASCII 碼值
int ascii = array[i];
//恢復(fù)字符偏移寺晌，例如b->a
ascii = ascii - key;
//ASCII 碼值轉(zhuǎn)換為char
char newChar = (char) ascii;
//替換原有字符
array[i] = newChar;
//以上4 行代碼可以簡寫為一行
//array[i] = (char) (array[i] - key);
}
//字符數(shù)組轉(zhuǎn)換成String
return new String(array);
}
代碼輸出結(jié)果：
4. 破解凱撒密碼：頻率分析法
凱撒密碼加密強(qiáng)度太低世吨，只需要用頻度分析法即可破解。
在任何一種書面語言中折剃，不同的字母或字母組合出現(xiàn)的頻率各不相同另假。而且，對(duì)于以這種語言書寫的任意一段文本怕犁，都具有大致相同的特征字母分布。比如己莺，在英語中奏甫，字母E 出現(xiàn)的頻率很高，而X 則出現(xiàn)得較少凌受。
英語文本中典型的字母分布情況如下圖所示：
5. 破解流程
- 統(tǒng)計(jì)密文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符阵子，例如出現(xiàn)次數(shù)最多的字符是是’h’。
- 計(jì)算字符’h’到’e’的偏移量胜蛉，值為3挠进，則表示原文偏移了3 個(gè)位置。
- 將密文所有字符恢復(fù)偏移3 個(gè)位置誊册。
注意點(diǎn)：統(tǒng)計(jì)密文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符時(shí)领突，需多統(tǒng)計(jì)幾個(gè)備選，因?yàn)樽疃嗟目赡苁强崭窕蛘咂渌址盖樱缦聢D出現(xiàn)次數(shù)最多的字符’#’是空格加密后的字符君旦，’h’才是’e’偏移后的值。
解密時(shí)要多幾次嘗試嘲碱，因?yàn)椴灰欢ǔ霈F(xiàn)次數(shù)最多的字符就是我們想要的目標(biāo)字符金砍，如下圖，第二次解密的結(jié)果才是正確的麦锯。
/**
* 頻率分析法破解凱撒密碼
*/
public class FrequencyAnalysis {
//英文里出現(xiàn)次數(shù)最多的字符
private static final char MAGIC_CHAR = 'e';
//破解生成的最大文件數(shù)
private static final int DE_MAX_FILE = 4;
public static void main(String[] args) throws Exception {
//測試1恕稠，統(tǒng)計(jì)字符個(gè)數(shù)
//printCharCount("article1_en.txt");
//加密文件
//int key = 3;
//encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key);
//讀取加密后的文件
String artile = file2String("article1_en.txt");
//解密（會(huì)生成多個(gè)備選文件）
decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt");
}
public static void printCharCount(String path) throws IOException{
String data = file2String(path);
List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);
for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
//輸出前幾位的統(tǒng)計(jì)信息
System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
}
}
public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException {
String artile = file2String(srcFile);
//加密文件
String encryptData = MyEncrypt.encrypt(artile, key);
//保存加密后的文件
string2File(encryptData, destFile);
}
/**
* 破解凱撒密碼
* @param input 數(shù)據(jù)源
* @return 返回解密后的數(shù)據(jù)
*/
public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {
int deCount = 0;//當(dāng)前解密生成的備選文件數(shù)
//獲取出現(xiàn)頻率最高的字符信息（出現(xiàn)次數(shù)越多越靠前）
List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);
for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
//限制解密文件備選數(shù)
if (deCount >= DE_MAX_FILE) {
break;
}
//輸出前幾位的統(tǒng)計(jì)信息
System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
++deCount;
//出現(xiàn)次數(shù)最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即為秘鑰
int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;
System.out.println("猜測key = " + key + "， 解密生成第" + deCount + "個(gè)備選文件" + "\n");
String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key);
String fileName = "de_" + deCount + destPath;
string2File(decrypt, fileName);
}
}
//統(tǒng)計(jì)String里出現(xiàn)最多的字符
public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {
Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
char[] array = data.toCharArray();
for (char c : array) {
if(!map.containsKey(c)) {
map.put(c, 1);
}else{
Integer count = map.get(c);
map.put(c, count + 1);
}
}
//輸出統(tǒng)計(jì)信息
/*for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + "出現(xiàn)" + entry.getValue() + "次");
}*/
//獲取獲取最大值
int maxCount = 0;
for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
//不統(tǒng)計(jì)空格
if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) {
maxCount = entry.getValue();
}
}
//map轉(zhuǎn)換成list便于排序
List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Map.Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());
//根據(jù)字符出現(xiàn)次數(shù)排序
Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){
@Override
public int compare(Entry<Character, Integer> o1,
Entry<Character, Integer> o2) {
return o2.getValue().compareTo(o1.getValue());
}
});
return mapList;
}
public static String file2String(String path) throws IOException {
FileReader reader = new FileReader(new File(path));
char[] buffer = new char[1024];
int len = -1;
StringBuffer sb = new StringBuffer();
while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {
sb.append(buffer, 0, len);
}
return sb.toString();
}
public static void string2File(String data, String path){
FileWriter writer = null;
try {
writer = new FileWriter(new File(path));
writer.write(data);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if (writer != null) {
try {
writer.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
二扶欣、對(duì)稱加密
1鹅巍、概述
加密和解密都使用同一把秘鑰，這種加密方法稱為對(duì)稱加密宵蛀，也稱為單密鑰加密昆著。
簡單理解為：加密解密都是同一把鑰匙。
凱撒密碼就屬于對(duì)稱加密术陶，他的字符偏移量即為秘鑰凑懂。
2、對(duì)稱加密常用算法
AES梧宫、DES接谨、3DES摆碉、TDEA、Blowfish脓豪、RC2巷帝、RC4、RC5扫夜、IDEA楞泼、SKIPJACK 等。
DES
全稱為Data Encryption Standard笤闯，即數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)堕阔，是一種使用密鑰加密的塊算法，1976 年被美國聯(lián)邦政府的國家標(biāo)準(zhǔn)局確定為聯(lián)邦資料處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS）颗味，隨后在國際上廣泛流傳開來超陆。
3DES
也叫Triple DES，是三重?cái)?shù)據(jù)加密算法（TDEA浦马，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱时呀。
它相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES 加密算法。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)晶默，原版DES 密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解谨娜；3DES 即是設(shè)計(jì)用來提供一種相對(duì)簡單的方法，即通過增加DES 的密鑰長度來避免類似的攻擊荤胁，而不是設(shè)計(jì)一種全新的塊密碼算法瞧预。
AES
高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES）仅政，在密碼學(xué)中又稱Rijndael 加密法垢油，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的DES圆丹，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用滩愁。經(jīng)過五年的甄選流程，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2001 年11 月26 日發(fā)布于FIPS PUB 197辫封，并在2002 年5 月26 日成為有效的標(biāo)準(zhǔn)硝枉。2006 年，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)已然成為對(duì)稱密鑰加密中最流行的算法之一倦微。
3妻味、DES 算法簡介
DES 加密原理（對(duì)比特位進(jìn)行操作，交換位置欣福，異或等等责球，無需詳細(xì)了解）
準(zhǔn)備知識(shí)
Bit 是計(jì)算機(jī)最小的傳輸單位。以0 或1 來表示比特位的值
例如數(shù)字3 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為：00000011
代碼示例
int i = 97;
String bit = Integer.toBinaryString(i);
//輸出：97 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為： 1100001
System.out.println(i + "對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為： " + bit);
Byte 與Bit 區(qū)別
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是以“字節(jié)”（Byte）為單位，數(shù)據(jù)傳輸是大多是以“位”（bit雏逾，又名“比特”）為單位嘉裤，一個(gè)位就代表一個(gè)0 或1（即二進(jìn)制），每8 個(gè)位（bit栖博，簡寫為b）組成一個(gè)字節(jié)（Byte屑宠，簡寫為B），是最小一級(jí)的信息單位仇让。
Byte 的取值范圍：
//byte 的取值范圍：-128 到127
System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);
即10000000 到01111111 之間典奉，一個(gè)字節(jié)占8 個(gè)比特位
二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制圖示：
任何字符串都可以轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組
String data = "1234abcd";
byte[] bytes = data.getBytes();//內(nèi)容為：49 50 51 52 97 98 99 100
上面數(shù)據(jù)49 50 51 52 97 98 99 100 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)（即比特位為）：
00110001
00110010
00110011
00110100
01100001
01100010
01100011
01100100
將他們間距調(diào)大一點(diǎn)，可看做一個(gè)矩陣：
之后可對(duì)他們進(jìn)行各種操作丧叽，例如交換位置秋柄、分割、異或運(yùn)算等蠢正，常見的加密方式就是這樣操作比特位的，例如下圖的IP 置換以及S-Box 操作都是常見加密的一些方式：
IP 置換：
S-BOX 置換：
DES 加密過程圖解（流程很復(fù)雜省店，只需要知道內(nèi)部是操作比特位即可）：
對(duì)稱加密應(yīng)用場景
- 本地?cái)?shù)據(jù)加密（例如加密android 里SharedPreferences 里面的某些敏感數(shù)據(jù)）
- 網(wǎng)絡(luò)傳輸：登錄接口post 請(qǐng)求參數(shù)加密{username=lisi,pwd=oJYa4i9VASRoxVLh75wPCg==}
- 加密用戶登錄結(jié)果信息并序列化到本地磁盤(將user 對(duì)象序列化到本地磁盤嚣崭，下次登錄時(shí)反序列化到內(nèi)存里)
- 網(wǎng)頁交互數(shù)據(jù)加密（即后面學(xué)到的Https）
DES 算法代碼實(shí)現(xiàn)
//1,得到cipher 對(duì)象（可翻譯為密碼器或密碼系統(tǒng)）
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
//2，創(chuàng)建秘鑰
SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("DES").generateKey();
//3懦傍，設(shè)置操作模式（加密/解密）
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
//4雹舀，執(zhí)行操作
byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());
AES 算法代碼實(shí)現(xiàn)
用法同上，只需把”DES”參數(shù)換成”AES”即可粗俱。
使用Base64 編碼加密后的結(jié)果
byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());
System.out.println(new String(result));
輸出結(jié)果：
加密后的結(jié)果是字節(jié)數(shù)組说榆，這些被加密后的字節(jié)在碼表（例如UTF-8 碼表）上找不到對(duì)應(yīng)字符，會(huì)出現(xiàn)亂碼寸认，當(dāng)亂碼字符串再次轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組時(shí)签财，長度會(huì)變化，導(dǎo)致解密失敗偏塞，所以轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是不安全的唱蒸。
使用Base64 對(duì)字節(jié)數(shù)組進(jìn)行編碼，任何字節(jié)都能映射成對(duì)應(yīng)的Base64 字符灸叼，之后能恢復(fù)到字節(jié)數(shù)組神汹，利于加密后數(shù)據(jù)的保存于傳輸，所以轉(zhuǎn)換是安全的古今。同樣屁魏，字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成16 進(jìn)制字符串也是安全的。
密文轉(zhuǎn)換成Base64 編碼后的輸出結(jié)果：
密文轉(zhuǎn)換成16 進(jìn)制編碼后的輸出結(jié)果：
Java 里沒有直接提供Base64 以及字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)16 進(jìn)制的Api捉腥，開發(fā)中一般是自己手寫或直接使用第三方提供的成熟穩(wěn)定的工具類（例如apache 的commons-codec）氓拼。
Base64 字符映射表
對(duì)稱加密的具體應(yīng)用方式
1、生成秘鑰并保存到硬盤上，以后讀取該秘鑰進(jìn)行加密解密操作披诗，實(shí)際開發(fā)中用得比較少
//生成隨機(jī)秘鑰
SecretKey secretKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
//序列化秘鑰到磁盤上
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("heima.key"));
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(secretKey);
//從磁盤里讀取秘鑰
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("heima.key"));
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
Key key = (Key) ois.readObject();
2撬即、使用自定義秘鑰（秘鑰寫在代碼里）
//創(chuàng)建密鑰寫法1
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM).
generateSecret(keySpec);
//創(chuàng)建密鑰寫法2
//SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(), KEY_ALGORITHM);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
//得到key 后，后續(xù)代碼就是Cipher 的寫法呈队，此處省略...
注意事項(xiàng)
把秘鑰寫在代碼里有一定風(fēng)險(xiǎn)剥槐，當(dāng)別人反編譯代碼的時(shí)候，可能會(huì)看到秘鑰宪摧，android 開發(fā)里建議用JNI 把秘鑰值寫到C 代碼里粒竖，甚至拆分成幾份，最后再組合成真正的秘鑰
算法/工作模式/填充模式
初始化cipher 對(duì)象時(shí)几于，參數(shù)可以直接傳算法名：例如：
Cipher c = Cipher.getInstance("DES");
也可以指定更詳細(xì)的參數(shù)蕊苗，格式："algorithm/mode/padding" ，即"算法/工作模式/填充模式"
Cipher c = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");
密碼塊工作模式
塊密碼工作模式(Block cipher mode of operation)沿彭，是對(duì)于按塊處理密碼的加密方式的一種擴(kuò)充朽砰，不僅僅適用于AES，包括DES, RSA 等加密方法同樣適用喉刘。
填充模式
填充(Padding)瞧柔，是對(duì)需要按塊處理的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)長度不符合塊處理需求時(shí)睦裳，按照一定方法填充滿塊長的一種規(guī)則造锅。
具體代碼：
//秘鑰算法
private static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
//加密算法：algorithm/mode/padding 算法/工作模式/填充模式
private static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/PKCS5Padding";
//秘鑰
private static final String KEY = "12345678";//DES 秘鑰長度必須是8 位或以上
//private static final String KEY = "1234567890123456";//AES 秘鑰長度必須是16 位
//初始化秘鑰
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), KEY_ALGORITHM);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
byte[] result = cipher.doFinal(input.getBytes());
注意：AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 參數(shù)
//AES廉邑、DES 在CBC 操作模式下需要iv 參數(shù)
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());
//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);
三哥蔚、總結(jié)
DES 安全度在現(xiàn)代已經(jīng)不夠高，后來又出現(xiàn)的3DES 算法強(qiáng)度提高了很多蛛蒙，但是其執(zhí)行效率低下糙箍，AES算法加密強(qiáng)度大，執(zhí)行效率高宇驾，使用簡單倍靡，實(shí)際開發(fā)中建議選擇AES 算法。實(shí)際android 開發(fā)中可以用對(duì)稱加密（例如選擇AES 算法）來解決很多問題课舍，例如：
- 做一個(gè)管理密碼的app塌西，我們在不同的網(wǎng)站里使用不同賬號(hào)密碼，很難記住筝尾，想做個(gè)app 統(tǒng)一管理捡需，但是賬號(hào)密碼保存在手機(jī)里，一旦丟失了容易造成安全隱患筹淫，所以需要一種加密算法站辉，將賬號(hào)密碼信息加密起來保管，這時(shí)候如果使用對(duì)稱加密算法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密饰剥，秘鑰我們自己記在心里殊霞，只需要記住一個(gè)密碼。需要的時(shí)候可以還原信息汰蓉。
- android 里需要把一些敏感數(shù)據(jù)保存到SharedPrefrence 里的時(shí)候绷蹲，也可以使用對(duì)稱加密，這樣可以在需要的時(shí)候還原顾孽。
- 請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)接口的時(shí)候祝钢，我們需要上傳一些敏感數(shù)據(jù)，同樣也可以使用對(duì)稱加密若厚，服務(wù)端使用同樣的算法就可以解密拦英。或者服務(wù)端需要給客戶端傳遞數(shù)據(jù)测秸，同樣也可以先加密疤估，然后客戶端使用同樣算法解密。
